鉿物理性質

鉿為銀灰色的金屬，有金屬光澤；金屬鉿有兩種變體：α鉿為六方密堆積變體(1750℃)，其轉變溫度比鋯高。金屬鉿在高溫下有同素異形變體存在。金屬鉿有較高的中子吸收截面，可用作反應堆的控制材料。

晶體結構有兩種：在1300℃以下時，為六方密堆積（α-式）；在1300℃以上時，為體心立方（β-式）。具有塑性的金屬，當有雜質存在時質變硬而脆。空氣中穩定，灼燒時僅在表面上發暗。細絲可用火柴的火焰點燃。性質似鋯。不和水、稀酸或強堿作用，但易溶解在王水和氫氟酸中。在化合物中主要呈 4價。鉿合金（Ta4HfC5）是已知熔點最高的物質（約4215℃）。

晶體結構：晶胞為六方晶胞

鉿化學性質

鉿的化學性質與鋯十分相似，具有良好的抗腐蝕性能，不易受一般酸堿水溶液的侵蝕；易溶于氫氟酸而形成氟合配合物。高溫下，鉿也可以與氧、氮等氣體直接化合，形成氧化物和氮化物。

鉿在化合物中常呈 4價。主要的化合物是氧化鉿HfO₂。氧化鉿有三種不同的變體：將鉿的硫酸鹽和氯氧化物持續煅燒所得的氧化鉿是單斜變體；在400℃左右加熱鉿的氫氧化物所得的氧化鉿是四方變體；若在1000℃以上煅燒，可得立方變體。另一個化合物是四氯化鉿，它是制備金屬鉿的原料，可由氯氣作用于氧化鉿和碳的混合物制取。四氯化鉿與水接觸，立即水解成十分穩定的HfO(4H₂O)₂ 離子。HfO² 離子存在于鉿的許多化合物中，在鹽酸酸化的四氯化鉿溶液中可結晶出針狀的水合氯氧化鉿HfOCl₂·8H₂O晶體。

4價鉿還容易與氟化物形成組成為 K₂HfF₆、K₃HfF₇、(NH₄)₂HfF₆、(NH₄)₃HfF₇的配合物。這些配合物曾用于鋯、鉿分離。

晶胞參數：a =b= 319.64 pm，c = 505.11 pm，α =β= 90°，γ = 120°

電離能(kJ /mol)

常見化合物

二氧化鉿：名稱 二氧化鉿；hafnium dioxide；分子式：HfO₂；性質：白色粉末，有單斜、四方和立方三種晶體結構。密度分別為10.3，10.1和10.43g/cm³。熔點2780～2920K。沸點5400K。熱膨脹系數5.8×10-6/℃。不溶于水、鹽酸和硝酸，可溶于濃硫酸和氟氫酸。由硫酸鉿、氯氧化鉿等化合物熱分解或水解制取。為生產金屬鉿和鉿合金的原料。用作耐火材料、抗放射性涂料和催化劑。 原子能級HfO是制造原子能級ZrO時同時得到的產品。從二次氯化起，提純﹑還原﹑真空蒸餾等過程同鋯的工藝流程幾乎完全一樣。

四氯化鉿：四氯化鉿（Hafnium(IV)chloride，Hafnium tetrachloride） 分子式 HfCl₄ 分子量 320.30 CAS編號：13499-05-3， 性狀： 白色結晶塊。對濕敏感。溶于丙酮和甲醇。遇水水解生成氯化氧鉿(HfOCl₂)。熱至250℃揮發。對眼睛、呼吸系統、皮膚有刺激性。

氫氧化鉿：氫氧化鉿（Hafnium Hydroxide，H₄HfO₄），CAS號12027-05-3，氫氧化鉿通常以水合氧化物HfO₂·nH₂O存在，難溶于水，易溶于無機酸，不溶于氨水，很少溶于氫氧化鈉。加熱至100℃，生成羥基氧化鉿HfO(OH)₂。可由鉿（IV）鹽與氨水反應得到白色氫氧化鉿沉淀。可用于制取其他鉿化合物。

鉿發現簡史

1923年，瑞典化學家赫維西和荷蘭物理學家D·科斯特在挪威和格陵蘭所產的鋯石中發現鉿元素，并命名為hafnium，它來源于哥本哈根城的拉丁名稱Hafnia。1925年，赫維西和科斯特用含氟絡鹽分級結晶的方法分離掉鋯、鈦，得到純的鉿鹽；并用金屬鈉還原鉿鹽，得到純的金屬鉿。 赫維西制得了幾毫克純鉿的樣品。

鉿化學實驗

1998年德克薩斯州大學的Carl Collins教授做的一次實驗中聲稱經伽瑪射線照射的鉿178m2（同質異能素鉿-178m2 ）可以釋放巨大的能量，其能量比化學反應高5個數量級，但比核反應低3個數量級。 Hf178m2（鉿178m2）在相似的長壽命同位素中有著最長的壽命：Hf178m2（鉿178m2）的半衰期長達31年，因此其天然放射性活度約為1.6萬億貝克勒爾。Collins的報告指出：一克純Hf178m2（鉿178m2）包含約1330兆焦耳，這相當于300千克TNT炸藥爆炸釋放的能量。Collins的報告指出這一反應中所有的能量都以X射線或伽瑪射線形式釋放，這一能量釋放速度極快，且Hf178m2（鉿178m2）在極低濃度下仍可發生反應。 五角大樓為此撥款研究。 實驗中信噪比很低(誤差較大)，且自此之后，盡管經過包括由美國國防部先進項目研究局（DARPA） 及 JASON Defense Advisory Group 等多國組織科學家多次試驗，沒有任何科學家能在Collins聲稱的條件下實現這一反應 ，而Collins也未能給出有力的證據證明這一反應的存在。 2006年，Collins提出利用誘發伽瑪射線發射使Hf178m2（鉿178m2）釋放能量的方法 ，但另曾有科學家在理論上證明了這種反應不可能實現。 Hf178m2（鉿178m2）在學術界被普遍認為不能作為能源來源。

1.可由鎂還原四氯化鉿或熱分解四碘化鉿制取。也可以HfCl₄和K₂HfF₆為原料。在NaCl-KCl-HfCl₄或K₂HfF₆熔體中電解制取，其工藝過程與鋯的電解制取相近。

2.鉿多與鋯共存，沒有單獨存在的鉿原料。鉿的制造原料是在制造鋯的工藝流程中分離出來的粗氧化鉿。用離子交換樹脂的方法提取氧化鉿，隨后利用與鋯相同的方法從這種氧化鉿中制取金屬鉿。

3.可由四氯化鉿（HfCl₄）與鈉共熱經還原而制得。

4.最早分離鋯、鉿的方法是含氟絡鹽的分級結晶和磷酸鹽的分級沉淀。這些方法操作麻煩，僅限于實驗室使用。陸續出現了分級蒸餾、溶劑萃取、離子交換和分級吸附等分離鋯、鉿的新技術，其中以溶劑萃取法較有實用價值。常用的兩種分離體系是硫氰酸鹽－異己酮體系和磷酸三丁酯－硝酸體系。以上方法所得產品都是氫氧化鉿，通過煅燒可得純的氧化鉿。高純度的鉿可以用離子交換法取得。

工業上，金屬鉿的生產常常并用克羅爾法和德博爾-阿克爾法。克羅爾法是用金屬鎂還原四氯化鉿：

2Mg HfCl₄─→2MgCl₂ Hf

德博爾－阿克爾法即碘化法，用此法提純海綿狀鉿，得到可延展的金屬鉿。

5.鉿的冶煉，與鋯基本相同：

第一步為礦石的分解，有三種方法：鋯石氯化得(Zr，Hf)Cl。鋯石的堿熔。鋯石與NaOH在600左右熔融，有90%以上的(Zr，Hf)O轉變為Na(Zr，Hf)O，其中的SiO變成NaSiO，用水溶除去。Na(Zr，Hf)O用HNO溶解后可作鋯鉿分離的原液，但因含有SiO膠體，給溶劑萃取分離造成困難。用KSiF燒結，水浸后得K(Zr，Hf)F溶液。溶液可以通過分步結晶分離鋯鉿；

第二步為鋯鉿分離，可用鹽酸-MIBK(甲基異丁基酮)系統和HNO-TBP(磷酸三丁酯)系統的溶劑萃取分離方法。利用高壓下(高于20大氣壓)HfCl和ZrCl熔體蒸氣壓的差異而進行多級分餾的技術早有研究，可省去二次氯化過程，降低成本。但由于(Zr，Hf)Cl和HCl的腐蝕問題，既不易找到合適的分餾柱材質，又會使ZrCl和HfCl質量降低，增加提純費用，70年代仍停留在中間廠試驗階段；

第三步為HfO的二次氯化以制得還原用粗HfCl；

第四步為HfCl的提純和加鎂還原。該過程與ZrCl的提純和還原相同，所得半成品為粗海綿鉿；

第五步為真空蒸餾粗海綿鉿，以除去MgCl和回收多余的金屬鎂，所得成品為海綿金屬鉿。如還原劑不用鎂而用鈉，則第五步改為水浸

鉿的地殼豐度比常用金屬鉍﹑鎘﹑汞多，與鈹﹑鍺﹑鈾的含量相當。所有含鋯的礦物中都含有鉿。工業上用的鋯石中含鉿量為0.5 ～ 2%。次生鋯礦中的鈹鋯石(alvite)含鉿可以高達15%。還有一種變質鋯石曲晶石(cyrtolite)，含HfO達5%以上。后兩種礦物的儲量少，工業上尚未采用。鉿主要由生產鋯的過程中回收。

存在于大多數鋯礦中。 因為地殼中含量很少。常與鋯共存，無單獨礦石。

由于鉿容易發射電子而很有用處(如用作白熾燈的燈絲)。用作X射線管的陰極，鉿和鎢或鉬的合金用作高壓放電管的電極。常用作X射線的陰極和鎢絲制造工業。純鉿具有可塑性、易加工、耐高溫抗腐蝕，是原子能工業重要材料。鉿的熱中子捕獲截面大，是較理想的中子吸收體，可作原子反應堆的控制棒和保護裝置。鉿粉可作火箭的推進器。在電器工業上可制造X射線管的陰極。鉿的合金可作火箭噴嘴和滑翔式重返大氣層的飛行器的前沿保護層，Hf-Ta合金可制造工具鋼及電阻材料。在耐熱合金中鉿用作添加元素，例如鎢、鉬、鉭的合金中有的添加鉿。HfC由于硬度和熔點高，可作硬質合金添加劑。4TaCHfC的熔點約為4215℃，為已知的熔點最高的化合物。鉿可作為很多充氣系統的吸氣劑。鉿吸氣劑可除去系統中存在的氧、氮等不需要氣體。鉿常作為液壓油的一種添加劑，防止在高危作業時候液壓油的揮發，具有很強的抗揮發性，這個特性的話，所以一般用于工業液壓油。醫學液壓油。

鉿元素也用于最新的intel45納米處理器。由于二氧化硅（SiO₂）具有易制性 (Manufacturability)，且能減少厚度以持續改善晶體管效能，處理器廠商均采用二氧化硅做為制作柵極電介質的材料。當英特爾導入65納米制造工藝時，雖已全力將二氧化硅柵極電介質厚度降低至1.2納米，相當于5層原子，但由于晶體管縮至原子大小的尺寸時，耗電和散熱難度亦會同時增加，產生電流浪費和不必要的熱能，因此若繼續采用時下材料，進一步減少厚度，柵極電介質的漏電情況勢將會明顯攀升，令縮小晶體管技術遭遇極限。為解決此關鍵問題，英特爾正規劃改用較厚的高K材料(鉿元素為基礎的物質)作為柵極電介質，取代二氧化硅，此舉也成功使漏電量降低10倍以上。另與上一代65納米技術相較，英特爾的45納米制程令晶體管密度提升近2倍，得以增加處理器的晶體管總數或縮小處理器體積，此外，晶體管開關動作所需電力更低，耗電量減少近30%，內部連接線 (interconnects) 采用銅線搭配低k電介質，順利提升效能并降低耗電量，開關動作速度約加快 20%。

儲存于陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。應與氧化劑、酸類、鹵素等分開存放，切忌混儲。采用防爆型照明、通風設施。禁止使用易產生火花的機械設備和工具。儲區應備有合適的材料收容泄漏物。2100433B

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